როგორ ქმნიან წყლის წისქვილებს ელექტროენერგია?

წყლის მოძრაობა ენერგიის მნიშვნელოვანი წყაროა და ხალხმა ეს ენერგია გამოიყენა მთელი საუკუნეების განმავლობაში წყლის მილების აშენებით.

ისინი ევროპაში გავრცელებული იყო მთელი შუა საუკუნეების განმავლობაში და მათ იყენებდნენ, სხვათა შორის, კლდის ჩახშობას, ლითონის გადამამუშავებელ ქარხნებს და მუწუკებს სელის ფოთლებს ქაღალდად აქცევდნენ. წყლის ბორბლები, რომლებიც მარცვალს დაფქვდნენ, წყლის წისქვილის სახელით იყო ცნობილი და რადგან ეს ფუნქცია ყველგან საყოველთაო იყო, ორი სიტყვა მეტ-ნაკლებად სინონიმი გახდა.

მაიკლ ფარადეის ელექტრომაგნიტური ინდუქციის აღმოჩენამ გზა გაუხსნა ინდუქციური გენერატორი, რომელიც საბოლოოდ მთელ მსოფლიოს ელექტროენერგიით მომარაგებას შეუდგა. ინდუქციური გენერატორი გარდაქმნის მექანიკურ ენერგიას ელექტრო ენერგიად და მოძრავი წყალი არის იაფი და უხვი მექანიკური ენერგიის წყარო. ამიტომ ბუნებრივი იყო, რომ წყლის წისქვილები ჰიდროელექტროსადგურების გენერატორებში მოერგებოდა.

იმის გაგება, თუ როგორ მუშაობს წყლის ბორბლის გენერატორი, ეს დაგეხმარებათ ელექტრომაგნიტური ინდუქციის პრინციპების გაგებაში. ამის გაკეთების შემდეგ, თქვენ შეეცდებით შექმნათ თქვენი საკუთარი წყლის მინი ბორბლის გენერატორი, გამოიყენოთ მცირე ელექტრო გულშემატკივართა ან სხვა მოწყობილობის ძრავა.

ფარადეიმ (1791 - 1867) აღმოაჩინა ინდუქცია გამტარ მავთულის ცილინდრული ბირთვის გარშემო რამდენჯერმე შეფუთვით, სოლენოიდის შესაქმნელად. მან სადენების ბოლოები გალვანომეტრს დაუკავშირა, მოწყობილობას, რომელიც ზომავს დენას (და მულტიმეტრის წინამორბედს). როდესაც მან გადაადგილდა მუდმივი მაგნიტი სოლენოიდის შიგნით, მან დაადგინა, რომ მრიცხველმა დენა დაარეგისტრირა.

ფარადეიმ აღნიშნა, რომ მიმდინარეობა იცვლის მიმართულებას, როდესაც მან მიმართულება შეცვალა, ის მოძრაობდა მაგნიტზე, ხოლო დენის სიძლიერე დამოკიდებულია იმაზე, თუ რამდენად სწრაფად მოძრაობდა იგი მაგნიტს.

მოგვიანებით ეს დაკვირვებები ჩამოყალიბდა ფარადეის კანონში, რომელიც უკავშირდება E, ელექტროძრავის ძალას (emf) გამტარში, ასევე ცნობილი როგორც ძაბვა, მაგნიტური ნაკადის ცვლილების სიჩქარესϕგამოცდილია კონდუქტორი. ეს ურთიერთობა ჩვეულებრივ შემდეგნაირად იწერება:

​ნარის ბრუნვის რაოდენობა გამტარის ხვიაში. სიმბოლო∆(დელტა) მიუთითებს რაოდენობის ცვლილებაზე, რომელიც მას მოსდევს. მინუს ნიშანი მიუთითებს იმაზე, რომ ელექტროძრავის ძალის მიმართულება საწინააღმდეგოა მაგნიტური ნაკადის მიმართულებებისა.

ფარადეის კანონში არ არის მითითებული, საჭიროა თუ არა მოძრავი ხვია ან მაგნიტი დენის ინდუქციისთვის და სინამდვილეში ამას მნიშვნელობა არ აქვს. ერთი მათგანი უნდა მოძრაობდეს, რადგან მაგნიტური ნაკადი, რომელიც არის მაგნიტური ველის ნაწილი, რომელიც პერპენდიკულურად გადის გამტარზე, უნდა შეიცვალოს. სტატიკური მაგნიტურ ველში მიმდინარეობა არ წარმოიქმნება.

ინდუქციის გენერატორს, როგორც წესი, აქვს ტრიალის მუდმივი მაგნიტი ან გამტარებელი ხვია, რომელიც მაგნიტიზებულია გარე ენერგიის წყაროს მიერ, რომელსაც ეწოდება როტორი. იგი თავისუფლად ტრიალებს ხახუნის ქვედა ხახუნის შახტზე (არმატურაზე), რომელსაც სტატორი ეწოდება, ხოლო ტრიალისას წარმოქმნის ძაბვას სტატორის ხვიაში.

გამოწვეული ძაბვა ციტორულად ცვლის მიმართულებას როტორის თითოეული დატრიალებით, ამიტომ მიღებული დენიც იცვლის მიმართულებას. ეს ცნობილია როგორც ალტერნატიული მიმდინარეობა (AC).

წყლის წისქვილში, როტორის დასატრიალებლად ენერგია მოწოდებულია მოძრავი წყლით, ხოლო უბრალოებისთვის შესაძლებელია გამომუშავებული ელექტროენერგიის გამოყენება უშუალოდ შუქებისა და საყოფაცხოვრებო მოწყობილობების ენერგიით. უფრო ხშირად, გენერატორი უკავშირდება ელექტროენერგიის ქსელს და ენერგიას ამარაგებს ქსელში.

ამ სცენარში, როტორში მუდმივი მაგნიტი ხშირად ჩანაცვლებულია ელექტრომაგნიტით, ხოლო ქსელი აწვდის AC– ს მის მაგნიტიზაციას. ამ სცენარში გენერატორისგან სუფთა გამოსავლის მისაღებად, როტორმა უნდა დააბრუნოს შემომავალი ენერგიის სიხშირეზე მეტი სიხშირე.

სამუშაოს შესასრულებლად წყლის ათვისებისას, თქვენ ძირითადად ეყრდნობიან მიზიდულობის ძალას, რაც პირველ რიგში წყლის ნაკადს იწვევს. ენერგიის რაოდენობა, რომელიც წყლის ჩამოვარდნისგან შეგიძლიათ მიიღოთ, დამოკიდებულია იმაზე, თუ რამდენი წყალი მოდის და რამდენად სწრაფად. ჩანჩქერიდან წყლის ერთეულზე მეტ ენერგიას მიიღებთ, ვიდრე მიედინება ნაკადის ნაკადიდან და ცხადია, თქვენ მიიღებთ უფრო მეტ ენერგიას დიდი ნაკადისგან ან ჩანჩქერისგან, ვიდრე პატარადან.

ზოგადად, წყლის ბორბლის მოქცევის გასაკეთებლად საჭირო ენერგიას იძლევამგჰ, სადაც "მ" არის წყლის მასა, "თ" არის სიმაღლე, რომლის მეშვეობითაც იგი ვარდება და "გ" არის აჩქარება სიმძიმის გამო. ხელმისაწვდომი ენერგიის მაქსიმალურად გაზრდის მიზნით, წყლის ბორბალი უნდა იყოს ფერდობის ან ჩანჩქერის ბოლოში, რაც მაქსიმალურად ზრდის წყლის ჩამოცდომას.

თქვენ არ უნდა გაზომოთ წყლის მასა, რომელიც მიედინება ნაკადში. თქვენ მხოლოდ უნდა შეაფასოთ მოცულობა. იმის გამო, რომ წყლის სიმკვრივე ცნობილი სიდიდეა, ხოლო სიმკვრივე ტოლია მასის გაყოფილი მოცულობისა, ადვილია გარდაქმნის გაკეთება.

წყლის ბორბალი გარდაქმნის პოტენციურ ენერგიას მიედინება ნაკადში ან ჩანჩქერში (მგჰ) ტანგენციულ კინეტიკურ ენერგიად იმ წერტილში, სადაც წყალი ბორბალთან კონტაქტში მოდის. ეს წარმოქმნის მბრუნავ კინეტიკურ ენერგიას, მოცემულიამე ω ²/2სადωარის ბორბლის კუთხოვანი სიჩქარე დამეინერციის მომენტია. ცენტრალური ღერძის გარშემო მობრუნებული წერტილის ინერციის მომენტი პროპორციულია ბრუნვის რადიუსის კვადრატისარ​: (​მე = ბატონო²), სადმწერტილის მასაა.

ენერგიის გარდაქმნის ოპტიმიზაციის მიზნით, გსურთ მაქსიმალურად გაზარდოთ კუთხის სიჩქარე,ω, მაგრამ ამისათვის საჭიროა მინიმუმამდე დაყვანამე, რაც ნიშნავს როტაციის რადიუსის შემცირებას,რ. წყლის ბორბალს უნდა ჰქონდეს მცირე რადიუსი, იმის უზრუნველსაყოფად, რომ ის სწრაფად ტრიალებს, რათა წარმოქმნას წმინდა დენი. ეს ტოვებს ძველ წისქვილებს, რომლითაც ნიდერლანდებია ცნობილი. ისინი კარგია მექანიკური სამუშაოს შესასრულებლად, მაგრამ არა ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის.

ერთ – ერთი პირველი მასშტაბური წყლის ბორბლის ინდუქციური გენერატორი და ყველაზე ცნობილი, ონლაინ გამოჩნდა ნიაგარის ჩანჩქერზე, ნიუ – იორკი, 1895 წელს. ნიკოლა ტესლას მიერ ჩაფიქრებული და ჯორჯ ვესტინგჰაუსის დაფინანსებით და დაპროექტებული ელექტროენერგიის სადგური ედვარდ დინ ადამსი იყო პირველი რამდენიმე ელექტროსადგურიდან, ვინც ელექტროენერგია მიაწოდა მომხმარებლებს შეერთებულ შტატებში.

ფაქტობრივი ელექტროსადგური აშენებულია ნიაგარას ჩანჩქერიდან მილის მიდამოებში და წყალს მილების სისტემის მეშვეობით იღებს. წყალი ჩაედინება ცილინდრულ კორპუსში, რომელშიც დამონტაჟებულია წყლის დიდი ბორბალი. წყლის ძალა ბორბალს ტრიალებს, ის კი უფრო დიდი გენერატორის როტორს ატრიალებს ელექტროენერგიის წარმოებისთვის.

ადამსის ელექტროსადგურის გენერატორი იყენებს 12 დიდ მუდმივ მაგნიტს, რომელთაგან თითოეული აწარმოებს მაგნიტურ ველს დაახლოებით 0,1 ტესლას. ისინი მიმაგრებულია გენერატორის როტორზე და ტრიალებენ მავთულის დიდი ხვია. გენერატორი აწარმოებს დაახლოებით 13000 ვოლტს და ამისათვის კოჭში უნდა იყოს მინიმუმ 300 ბრუნვა. გენერატორის მუშაობისას coil– ის მეშვეობით დაახლოებით 4000 ამპერიანი AC ელექტროენერგიის კურსები.

მსოფლიოში ძალიან ცოტა ჩანჩქერია, სადაც ნიაგარის ჩანჩქერია, ამიტომ ნიაგარის ჩანჩქერი მსოფლიოს ერთ-ერთ ბუნებრივ საოცრებად ითვლება. ბევრი ჰიდროელექტროსადგურია აშენებული კაშხლებზე. დღეს მსოფლიოს ელექტროენერგიის დაახლოებით 16 პროცენტი მომარაგებულია ისეთი ჰიდროელექტროსადგურებით, რომელთაგან ყველაზე დიდია ჩინეთში, ბრაზილიაში, კანადაში, შეერთებულ შტატებსა და რუსეთში. ყველაზე დიდი ქარხანა ჩინეთშია, მაგრამ ის, ვინც ყველაზე მეტ ელექტროენერგიას აწარმოებს, ბრაზილიაშია.

კაშხლის აშენების შემდეგ, ელექტროენერგიის წარმოებასთან დაკავშირებული ხარჯები აღარ არის. მაგრამ გარემოს გარკვეული ხარჯები აქვს.

• კაშხლის მშენებლობა ცვლის ბუნებრივი წყლის ნაკადს და ეს გავლენას ახდენს მცენარეების, ცხოველებისა და ადამიანების ცხოვრებაზე, რომლებიც წყლის ბუნებრივ ნაკადს ეყრდნობოდნენ. სამი ხევის კაშხლის მშენებლობა ჩინეთში 1.2 მილიონი ადამიანის გადასახლებას ითვალისწინებს.
• კაშხლები ცვლის თევზის ბუნებრივ სასიცოცხლო ციკლებს, რომლებიც ნაკადებში ცხოვრობენ. წყნარი ოკეანის ჩრდილო – დასავლეთში, კაშხლებმა ორაგულისა და ფოლადის სათავეების სავარაუდო 40 პროცენტი ჩამოართვეს მათ ბუნებრივ ჰაბიტატებს.
• კაშხლიდან წყალს აქვს გახსნილი ჟანგბადის შემცირებული დონე და ეს გავლენას ახდენს წყალზე დამოკიდებულ თევზებზე, მცენარეებზე და ველურ ბუნებაზე.
• ჰიდროელექტროსადგურის წარმოებაზე გავლენას ახდენს გვალვა. როდესაც წყალი იკლებს, ხშირად საჭიროა ენერგიის წარმოების შეჩერება, რომ წყალი შევინარჩუნოთ.

მეცნიერები ეძებენ დიდი ენერგოწარმოების სადგურების ნაკლოვანებების შერბილების გზებს. ერთი გამოსავალია მცირე ზომის სისტემების აშენება, რომლებსაც ნაკლები გავლენა ექნებათ გარემოზე. კიდევ ერთია შემწოვი სარქველებისა და ტურბინების შექმნა, რათა უზრუნველყოს მცენარეთაგან გამოყოფილი წყლის სწორად ჟანგბადი. ნაკლოვანებებით კი, ჰიდროელექტრო კაშხლები ელექტროენერგიის ყველაზე სუფთა, იაფი წყაროა.

კარგი გზა, რათა დაეხმაროთ საკუთარ თავს გაიგოთ ჰიდროელექტროენერგიის წარმოების პრინციპები, არის პატარა ელექტრო გენერატორის აშენება. ამის გაკეთება შეგიძლიათ ძრავის საშუალებით იაფი ელექტრო გულშემატკივართა ან სხვა მოწყობილობიდან. სანამ ძრავის შიგნით მყოფი როტორი იყენებს მუდმივ მაგნიტს, ძრავა შეიძლება გამოყენებულ იქნას "უკუღმა" ელექტროენერგიის წარმოსაქმნელად. ძრავის ძალიან ძველი გულშემატკივართა ან მოწყობილობის ძრავა უკეთესი კანდიდატია ვიდრე უფრო ახლის ძრავა, რადგან აპარატების ძველ ძრავებს უფრო ხშირად აქვთ მუდმივი მაგნიტები.

თუ გულშემატკივარს იყენებთ, შეიძლება ამ პროექტის შესრულება მისი დაშლის გარეშეც შეძლოთ, რადგან გულშემატკივართა პირებს შეუძლია იმუშაოს როგორც იმპულსები. ამასთან, ისინი ნამდვილად არ არის შექმნილი ამისათვის, ამიტომ შეიძლება დაგჭირდეთ მათი გაჭრა და ჩანაცვლება უფრო ეფექტური წყლის ბორბლით, რომელსაც თავად ააწყობთ. თუ ამის გაკეთება გადაწყვიტეთ, შეგიძლიათ გამოიყენოთ საყელო, როგორც გაუმჯობესებული წყლის ბორბლის საფუძველი, რადგან ის უკვე მიმაგრებულია ძრავის ლილვზე.

იმის დასადგენად, რეალურად აწარმოებს თუ არა თქვენი მინი წყლის ბორბლის გენერატორი ელექტროენერგიას, თქვენ უნდა დაუკავშიროთ მრიცხველი გამომავალი ხვია. ამის გაკეთება მარტივია, თუ იყენებთ ძველ გულშემატკივარს ან მოწყობილობას, რადგან მას აქვს საცობი. უბრალოდ დააკავშირეთ მულტიმეტრის ზონდები შტეფსელის საყრდენებს და დააყენეთ მრიცხველი AC ძაბვის გასაზომად. თუ თქვენს მიერ გამოყენებულ ძრავას არ გააჩნია შტეფსელი, უბრალოდ დააკავშირეთ მრიცხველის ზონდები გამავალ კოჭზე დამაგრებულ მავთულხლართებზე, რომლებიც უმეტეს შემთხვევაში ერთადერთი ორი მავთულია

ამ პროექტისთვის შეგიძლიათ გამოიყენოთ წყლის ჩამოვარდნის ბუნებრივი წყარო ან შეგიძლიათ ააწყოთ საკუთარი. თქვენი აბაზანის ნაკადიდან ჩამოსხმული წყალი უნდა წარმოქმნას იმდენი ენერგია, რომ გამოვლენილი დენი გამოიმუშაოს. თუ თქვენს პროექტს სხვა ადამიანების საჩვენებლად მიდიხართ, შეიძლება დაგჭირდეთ ქვევრის წყალი დაასხით ან ბაღის შლანგი გამოიყენოთ.